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基于Nanodcal石墨烯和其它1D/2D材料的结构

鸿之微 来源:鸿之微 作者:鸿之微 2022-10-14 17:10 次阅读

Nanodcal是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论(NEGF - DFT)的第一性原理计算软件,主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程,是目前国内拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流 - 电压特性、电子透射几率等众多输运性质。

迄今为止,Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中,并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。

本期将给大家介绍Nanodcal石墨烯和其它1D/2D材料 4.1.1-4.1.2.3的内容。

4. 石墨烯和其它1D/2D材料

4.1. 完美石墨烯和二硫化钼片层的透射谱

4.1.1. 简介

在Nanodcal中,可以利用一种简单方法来计算一个完美周期性体系的透射谱。这种方法并不需要像处理非完美体系时设置很具体的器件构型,如电极,电极延伸区和散射区等。在这个例子中,你将看到怎样计算一个完美的周期性二维片层的透射谱。第一个计算实例是我们熟知的石墨烯;第二个实例是单层MoS2,相比石墨烯来说晶胞结构相对复杂。

对于一个完美的周期结构,其透射谱原则上是其电子能带结构每个能级上所有模式的累加求和。在一维体系中,你可以手动求和;但对于二维体系,我们必须在求解其电子结构时考虑如何对布里渊区进行合理的分割。

需要说明的是:在Device Studio中,计算透射谱和计算能带结构的方法是一样的。因此,在使用时都将遵循相同的规则:晶胞必须是类电极结构的,即晶胞的A和B矢量必须同时垂直于C(C平行于Z方向);请记住,在C方向上你不需要重复晶胞;你可以利用尽可能小的晶胞。

4.1.2. 石墨烯

4.1.2.1. Device Studio构建几何结构

现在,我们开始计算石墨烯。你的第一个任务是将六方的晶胞转变为正交的晶胞。

(1)打开Device Studio,新建目录graphene。

(2)从数据库中导入graphene,坐标文件graphene.hzw如下:

46a117ac-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

(3)建立nanodcal自洽计算所需的输入文件,如下:

Simulator→Nanodcal→SCF Calculation→Generate file。设置参数,将温度改为100 K,K点改成1 9 15,然后点击Generate file。

其他参数默认。产生自洽计算的输入文件scf.input,右击打开open with,可查看,如下。

46dbda36-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

(4)建立nanodcal计算能带的输入文件,如下:

Simulator→Nanodcal→Analysis→BandStructure→->→Generate file。参数默认,产生能带计算的输入文件BandStructure.input,同样,右击打开open with,可查看,如下:

471d66fe-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

4.1.2.2. 自洽计算及能带计算

计算时可以选择本机(小体系),也可以选择nanodcal服务器(大体系)。本例以graphene、MoSe2分别选择本机和服务器计算,操作如下:

1 本机计算:

(1)在Job Manager所示界面中点击设置按钮,弹出MachineOptions界面,在该界面中点击MyComputer→Select。

474e6240-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

图 4-1:MachineOptions界面

(2)自洽计算:选中scf.input右击run。

(3)能带计算:选中BandStructure.input右击run。

2 Nanodcal服务器计算:

(1)连接服务器:在Job Manager所示界面中点击设置按钮,弹出MachineOptions界面,在该界面选择中点击New按钮,弹出MachineSet界面,在该界面中填写Computer Name、HostIp、port、Username、Password等一系列信息,点击OK按钮则在MachineOptions界面中添加了装有Nanodcal的服务器。

478b2f04-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

图 4-2:连接服务器操作界面

(2)自洽计算:在选择nanodcal服务器后,选中scf.input右击run后会出现以下界面:

47a82780-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png图 4-3:Run界面

根据计算需要设置参数后点击save按钮保存相应的pbs脚本,然后点击run进行计算。等待计算完毕后下载NanodcalObject.mat文件

(3)能带计算:与第2步一样选中选中BandStructure.input右击run。等待计算完毕后下载CalculatedResults.mat、BandStructure.fig文件。

4.1.2.3. 可视化分析

在Device Studio的Project Explorer区域选中能带计算结果文件BandStructure.fig→右击→Show View,弹出能带可视化分析界面如图4-4、4-5所示。

(1)graphene

47cc6b40-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

图 4-4:graphene的能带图可视化分析界面

观察能带结构,正如与所选择参数期望一般,你可以看到在费米能级附近有一个完美的能带。高对称K点是非常清晰的,它出现在Γ点和Z点之间(虽然没有字母标示)。在这里我们指出:由于我们使用的是超胞,所以布里渊区是折叠的。

(2)MoS2

47f8ed8c-4ad9-11ed-a3b6-dac502259ad0.png图 4-5:MoS2的能带图可视化分析界面

上图所示的是利用LDA方法计算获得的六方MoS2单层结构的能带结构(目的是避免由于构建正交超胞结构所产生的能带折叠效应)。我们可以清晰的发现,MoS2单层是直接带隙结构,带隙值约为* eV(在K点)

审核编辑:彭静
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原文标题:产品教程|Nanodcal石墨烯和其它1D/2D材料(完美石墨烯和二硫化钼片层的透射谱)

文章出处:【微信号:hzwtech,微信公众号:鸿之微】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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